四自由度機械手模型建立與軟件仿真探究

摘要：機械手是物流與倉儲行業(yè)、機械制造行業(yè)等常用的自動化機械設(shè)備，能夠依照設(shè)定的程序自主完成貨物從一個地方搬運到另一個地方，具有效率高、精確度高等優(yōu)點。四自由度機械手工作過程中對各個關(guān)節(jié)節(jié)點的位置狀態(tài)控制難度較大，為此，對四自由度機械手D-H進行模型建立，通過MATLAB計算機仿真模擬軟件建立機械手模型，采用關(guān)節(jié)空間以及笛卡爾空間的規(guī)劃兩種方式驗證機械手末端軌跡滿足設(shè)計要求。

關(guān)鍵詞：四自由度;機械手;模型;仿真

0? 引言

隨著現(xiàn)代社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，物流與倉儲行業(yè)、機械制造行業(yè)、電子行業(yè)以及輕工行業(yè)等不斷發(fā)展，而碼垛技術(shù)作為一種現(xiàn)代化技術(shù)，在工作方式和思維上進行了創(chuàng)新，在這些行業(yè)中發(fā)揮著重要的作用?，F(xiàn)階段，許多專家與學(xué)者針對碼垛機器人進行了大量的研究工作，主要集中在碼垛機器人運行過程的平穩(wěn)性與效率性，采用設(shè)定的速度進行搬卸貨物，不會出現(xiàn)較大的速度波動，確保搬卸的貨物都能夠安全的抵達制定的地點，在遇見障礙物時還要能夠自行躲避，所以必須要認真分析和研究機器人的運行軌跡，得到科學(xué)、合理的設(shè)置與規(guī)劃[1]。然而，機器人所牽涉的領(lǐng)域非常廣泛，比如說控制學(xué)知識、機械知識以及電氣知識等，綜合難度較大，對其進行運動軌跡建模與仿真非常重要。MATLAB是常用的計算機仿真模擬軟件，通過自帶的Robotics Toolbox插件能夠復(fù)雜完成機械手的控制、軌跡規(guī)劃等設(shè)定，也可以對機械手進行建模并模擬，為工業(yè)機器人的不斷創(chuàng)新發(fā)展起到了較好的推動作用。

1? 四自由度機械手D-H模型建立

機械手的運動軌跡主要由多個剛體通過關(guān)節(jié)相互連接形成的一個完整的運動鏈，一般情況下將這些剛體叫做連桿[2]。連桿的主要職責(zé)是確保連接的兩個節(jié)點能夠以特定的關(guān)系進行運動。任何一個連桿的運動都受到兩個參數(shù)的約束，分別為公共法線距離αi-1以及和αi-1所在面成90°夾角的兩軸線角度αi;對于每個連桿兩端節(jié)點的運動關(guān)系，主要受到以下兩個數(shù)值的影響，分別是相鄰桿的相對位置di以及相鄰桿之間的法向夾角θi[3]。利用D-H模型對機器人的各個連桿以及節(jié)點處進行模型建立，同時針對每一個連桿創(chuàng)建相應(yīng)的坐標(biāo)系，通過齊次變換的方法來準(zhǔn)確、形象的表現(xiàn)各個坐標(biāo)系的相對位置與情形。

如圖1所示為某個四自由度機械手各個連桿的關(guān)節(jié)坐標(biāo)系模型示意圖，表1為相應(yīng)連桿的D-H參數(shù)。

2? 基于MATLAB軟件的運動學(xué)仿真

通過建立機械手的運動學(xué)仿真模型，可以很形象的查看到機械手的運動軌跡，也有助于設(shè)計人員準(zhǔn)確觀察各個連桿關(guān)節(jié)位置的方位、速度以及加速度等，有利于加強對機械手運動情況的管控。

2.1 機械手模型建立

通過MATLAB三維仿真模擬軟件，利用其自身包含的Robotics Toolbox插件功能，以link（）以及robot（）函數(shù)為基礎(chǔ)創(chuàng)建機械手模型，根據(jù)表1中各個連桿關(guān)節(jié)的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)機械手模型建立的指令為[4]：

2.2 軌跡規(guī)劃與模擬

機械手軌跡規(guī)劃方式通常分為兩種形式，分別是關(guān)節(jié)空間以及笛卡爾空間的規(guī)劃，這兩種空間規(guī)劃方式都有著自身的優(yōu)勢與缺點，在進行機械手軌跡規(guī)劃時必須要深入分析這兩種空間規(guī)劃方式[5]。關(guān)節(jié)空間規(guī)劃的操作方式比較簡便，計算復(fù)雜度較低，并且不會產(chǎn)生奇異位形的現(xiàn)象，然而這種規(guī)劃方式不能夠清晰的顯示出機械手末端的運動軌跡，導(dǎo)致末端關(guān)鍵的運動軌跡較為模糊;笛卡爾空間規(guī)劃方式運算量較大，對計算人員的要求也較高，同時有較大概率出現(xiàn)奇異位形的現(xiàn)象，然而這種規(guī)劃方式能夠得到精準(zhǔn)的機械手運動軌跡，可以將運動細節(jié)清晰的顯示出來[6]。比如說在使用關(guān)節(jié)空間規(guī)劃方式時，設(shè)定機械手完成一個動作的周期為4s，相鄰采樣時間為73ms，基礎(chǔ)關(guān)節(jié)值為qz=[0 0 0 0];結(jié)束關(guān)節(jié)值為qr=[pi/2 pi/3 pi/4 pi];通過這些參數(shù)的設(shè)定，將其帶入到MATLAB計算機仿真軟件中，通過指令q=jtraj（qz，qr，t）獲得每處關(guān)節(jié)的位置、速度以及加速度實時曲線圖。

通過關(guān)節(jié)空間規(guī)劃以及笛卡爾空間規(guī)劃兩種方式進行機械手運動軌跡模擬，從實際的模擬結(jié)果來看，四自由度機械手各個關(guān)節(jié)位置能夠正常運行，同時機械手末端的運動軌跡與設(shè)計符合設(shè)計要求，能夠按照既定的路徑進行運動。

3? 結(jié)語

機械手是我國現(xiàn)代機械自動化領(lǐng)域的重要研究方向，機械手能夠替代工人完成各種高負荷的工作，提高生產(chǎn)線的工作效率與準(zhǔn)確性。利用MATLAB軟件加強機械手的模型建立與仿真模擬，能夠精確的查看到機械手的運動軌跡，為機械手的進一步發(fā)展提供幫助。

參考文獻：

[1]朱琪，吳雁，何玉安.基于SimMechanics的四自由度機械手控制系統(tǒng)機液耦合仿真[J].機床與液壓，2015，43（03）：16-19.

[2]王登貴，楊艷.四自由度氣動搬運機械手控制系統(tǒng)研究與仿真[J].液壓與氣動，2014（09）：29-31，57.

[3]袁文康，同志學(xué).基于MATLAB的四自由度液壓機械手運動軌跡規(guī)劃研究[J].礦山機械，2014，42（04）：110-113.

[4]于復(fù)生，段登家，杜桂林，李濤.基于S7-200 PLC的四自由度機械手控制系統(tǒng)設(shè)計[J].液壓與氣動，2013（08）：89-91.

[5]王燕，張果，葛運旺.四自由度關(guān)節(jié)型采摘機械手軌跡規(guī)劃與實驗研究[J].現(xiàn)代制造工程，2013（07）：27-31.

[6]張立陽，崔建昆，朱心平，梁冰冰.基于VB和單片機的四自由度串聯(lián)機械手的軌跡規(guī)劃及控制系統(tǒng)[J].制造業(yè)自動化，2011，33（19）：6-8.

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作者簡介：崔娜（1978-），女，遼寧昌圖人，碩士學(xué)位，副教授，研究方向為機械工程。